[發明專利]MEMS氣體傳感器芯片、傳感器及傳感器的制備方法

有效

• 申請號: 201810400193.8
• 申請日: 2018-04-28
• 公開（公告）號: CN108844652B
• 公開（公告）日: 2020-05-01
• 發明（設計）人: 劉宇航;劉立濱;李平;許諾
• 申請（專利權）人: 北京機械設備研究所
• 主分類號: G01K7/18
• 分類號: G01K7/18;G01N27/333;G05D23/22
• 代理公司: 北京天達知識產權代理事務所(普通合伙) 11386
• 代理人: 龐許倩;胡時冶

1.一種MEMS氣體傳感器芯片，其特征在于，包括氣體敏感單元、溫度敏感單元、敏感結構襯底和溫度控制單元；

所述氣體敏感單元和溫度敏感單元處于同層，二者分別設置于所述敏感結構襯底的上方，且二者底面與所述敏感結構襯底的上表面直接接觸；

所述溫度控制單元設置于所述敏感結構襯底的下方，用于控制敏感結構襯底表面的溫度；

所述溫度控制單元的長度和寬度大于所述敏感結構襯底的長度和寬度。

2.根據權利要求1所述的MEMS氣體傳感器芯片，其特征在于，所述氣體敏感單元，包括金屬電極和氣體敏感薄膜；所述氣體敏感薄膜覆蓋在所述金屬電極表面；

所述氣體敏感單元，用于將所處環境氛圍中特定氣體成分的濃度變化轉換成自身電阻的變化；

所述溫度敏感單元，包括至少一組金屬折線型結構，用于將所處環境溫度的變化轉換成自身電阻的變化。

3.根據權利要求2所述的MEMS氣體傳感器芯片，其特征在于，所述金屬電極為互補對稱的梳齒型結構，所述梳齒型結構的叉指寬度為5-30μm，叉指間距為5-30μm，金屬電極厚度為1000-2000A；

所述溫度敏感單元采用鉑材料，其電阻與金屬折線型結構的折線長度成正比，與折線截面寬度和厚度成反比。

4.根據權利要求1-3之一所述的MEMS氣體傳感器芯片，其特征在于，所述溫度控制單元為由半導體材料制成的基于帕爾貼效應的平板型結構，包括上層N型半導體和下層P型半導體，所述上層N型半導體和下層P型半導體直接連接；所述溫度控制單元的厚度為1000μm左右；

所述上層N型半導體的上表面通過膠狀硅脂與敏感結構襯底的底面進行連接。

5.根據權利要求4所述的MEMS氣體傳感器芯片，其特征在于，所述敏感結構襯底的厚度為200μm左右，所述氣體敏感單元和溫度敏感單元的距離為100μm左右。

6.一種MEMS氣體傳感器，其特征在于，包括權利要求1-5之一所述MEMS氣體傳感器芯片，以及控制電路；

所述控制電路的輸入端接收兩路輸入信號，一路為溫度敏感單元輸出的測量溫度，另一路為預設溫度；所述控制電路對所述兩路輸入信號進行比較，根據比較結果輸出控制信號；所述控制信號通過控制流經所述溫度控制單元的電流方向和大小，改變敏感結構襯底表面的溫度。

7.根據權利要求6所述的MEMS氣體傳感器，其特征在于，所述控制電路包括微控制器、N型MOSFET、P型MOSFET、正負電源；

所述微控制器的輸入端接收所述兩路輸入信號，所述微控制器的輸出端分別與所述N型MOSFET和P型MOSFET的柵極相連，利用所述兩路輸入信號的溫度偏差結果控制所述N型MOSFET和P型MOSFET的通斷；

所述N型MOSFET的源極與所述P型MOSFET的源極相連；所述N型MOSFET的漏極接正電源，所述P型MOSFET的漏極接負電源；

所述溫度控制單元的一個電氣接口分別與所述N型MOSFET的源極和所述P型MOSFET的漏極相連，另一個電氣接口直接接地。

8.一種制備權利要求6或7所述的MEMS氣體傳感器的方法，其特征在于，包括如下步驟：

對半導體晶圓進行清洗后，通過熱氧化工藝在半導體晶圓表面生長一層氧化層；

在所述氧化層表面制備氣體敏感單元；

在所述氧化層表面制備溫度敏感單元；

對所述半導體晶圓進行減薄；

對所述半導體晶圓進行劃片，形成敏感結構襯底，所述敏感結構襯底上包括氣體敏感單元和溫度敏感單元的完整結構；

制備平板形態的溫度控制單元；

將所述敏感結構襯底和所述溫度控制單元通過導熱硅脂進行接合，得到MEMS氣體傳感器芯片；

搭建控制電路，將所述MEMS氣體傳感器芯片接入所述控制電路，得到所述MEMS氣體傳感器。